כימיה IGCSE

הכל סביבכם עשוי מחלקיקים זעירים — אלו יכולים להיותאטומים,מולקולות, אויונים. התיאוריית החלקיקים הקינטית טוענת שחלקיקים אלו תמיד נעים. כמות הקרבה בין החלקיקים, האופן שבו הם מסודרים ואופן התנועה שלהם קובעים האם חומר הואמוצק,נוזל, אוגז.

תכונות שניתן לצפות בהן

אינכם זקוקים למיקרוסקופ כדי להבחין בין שלושת המצבים. הם מתנהגים בצורות שונות:

• למוצק יש צורה קבועה ונפח קבוע. הוא אינו זורם ואי אפשר לדחס אותו (ללחוץ אותו לקטן יותר).
• לנוזל יש נפח קבוע אך אין לו צורה קבועה. הוא זורם לוקח את צורת הכלי בו. קשה מאוד לדחס אותו.
• לגז אין צורה קבועה ואין לו נפח קבוע. הוא זורם ומתפשט כדי למלא את כל הכלי. גז קל לדחיסה.

הטבלה להלן מסיכמת תכונות אלו.צפיפות משמעות כמהמסה דחוסה בתוך נפח נתון.

תמונת החלקיקים

תאוריית החלקיקים הקינטיסית מסבירה תכונות אלו על ידי הבטחה לשלושה דברים: המרווח בין החלקיקים (כמה רחוק הם זה מזה), ה-סידור שלהם (התבנית) וה-תנועה שלהם (איך הם זזים).

כוחות משיכה חזקים מחזיקים את החלקיקים יחד. במוצק כוחות אלו חזקים מספיק כדי להחזיק כל חלקיק במקומו, ולכן למוצק יש צורה קבועה. בנוזל הכוחות חלשים יותר, ולכן החלקיקים יכולים לנוע. בגז החלקיקים זזים כל כך מהר שכוחות המשיכה פועלים עליהם רק לעיתים רחוקות, ולכן הגז מתפשט.

כשאתה מחמם או מקרר חומר, הוא יכול להשתנות ממצב אחד לאחר. עליך לדעת את שם כל שינוי.

מוצק טהור נמס בטמפרטורה קבועה אחת, נקודת ההתכה. נוזל טהור רותח בטמפרטורה קבועה אחת, נקודת הרתיחה. אותו חומר מתקרש בנקודת ההתכה שלו ומתעבה בנקודת הרתיחה שלו.

כמה חומרים משנים מצב ישירות ממוצק לגז מבלי להמיס תחילה. תהליך זה נקרא התגברות. בתמונה למטה, יודין מוצק מחומם במבחנה הופך ישירות לגז סגול; הגז מתקרר על גבי הבקבוק העגול עם הקרח שמעלה וחוזר להיות מוצק.

הסבר שינויי מצב באמצעות תיאוריית החלקיקים

כל שינוי מצב הוא למעשה שינוי ב-אנרגיה של החלקיקים.

• כאשר מחממים מוצק, החלקיקים מקבלים אנרגיה ורוטטים מהר יותר. בנקודת ההתכה לחלקיקים יש מספיק אנרגיה כדי להתנתק ממקומם הקבוע ולהחליק סביבם – המוצק נמס.
• כאשר מחממים נוזל, החלקיקים זזים מהר יותר. בנקודת הרתיחה יש להם מספיק אנרגיה כדי לצאת לחלוטין מכוחות המשיכה ולהפוך לגז.
• קירור עושה את ההפך. החלקיקים מאבדים אנרגיה, זזים לאט יותר, וכוחות המשיכה מושכים אותם חזרה יחד.

במהלך שינוי מצב האנרגיה הולכת לשבור את כוחות המשיכה, ולא לשגר את החלקיקים להזזה מהירה יותר. זוהי הסיבה שהטמפרטורה נשארת קבועה בזמן שהחומר נמס או רותח.

עקומי חימום וקירור

עקומת חימום היא גרף של טמפרטורה לפי זמן בעת חימום חומר בצורה אחידה. עקומת קירור היא אותו גרף כאשר החומר מתקרר.

בעקומת חימום ישנם שני חלקים שטוחים (אופקיים):

• החלק השטוח הראשון נמצא בנקודת ההיתוך. כאן קיימים גם מצב מוצק וגם נוזלי. אנרגיית החום שוברת את הכוחות המחזיקים את המוצק יחד, ולכן הטמפרטורה אינה עולה.
• החלק השטוח השני נמצא בנקודת הרתיחה. כאן קיימים גם מצב נוזלי וגם גז, והטמפרטורה נשארת שוב קבועה.

עקומת קירור היא ההפך. יש בה חלק שטוח בנקודת הרתיחה (הגז מתעבה) וחלק שטוח בנקודת ההיתוך (הנוזל קופא). כשהחלקיקים מאיטים, אנרגיה תרמית משתחררת לסביבה.

גז לוחץ על קירות המיכל שלו. הלחץ הזה, המפורסם על פני השטח של הקיר, הוא הלחץ של הגז. הלחץ נובע מחלקיקי הגז הפוגעים בקירות.

השפעת טמפרטורה

אם מחממים מסת גז קבועה תוך שמירה על לחץ זהה, הנפח שלהם גדל.

על פי תורת החלקיקים: חימום מעניק לחלקיקים יותר אנרגיה קינטית, ולכן הם נעים מהר יותר. הם פוגעים בקירות בחוזקה ובתדירות רבה יותר. כדי לשמור על לחץ זהה, הגז צריך לתפוס מקום רב יותר, ולכן הנפח גדל.

אם במקום זאת הנפח קבוע (מיכל סגור וקשיח), חימום הגז גורם לעליית הלחץ, מכיוון שחלקיקים מהירים יותר מתנגשים בקירות בחוזקה ובתדירות רבה יותר.

השפעת לחץ

אם מגבירים את הלחץ על מסת גז קבועה תוך שמירה על טמפרטורה זהה, הנפח שלהם קטן. דחיסת הגז למרחק קטן יותר אומרת שהחלקיקים פוגעים בקירות בתדירות רבה יותר, וזהו בדיוק משמעותו של לחץ גבוה יותר.

פיזור הוא התפשטות חלקיקים מאזור שבו הם צפופים לאזור שבו הם מפוזרים — כלומר, מאזור עם ריכוז גבוה לאזור עם ריכוז נמוך. זה קורה כי חלקיקים נעים באופן רנדומלי בכל עת.

פיזור מסביר מד можно להריח מזון מרחוק בחדר: חלקיקי הריח נעים ומתערבלים עם האוויר עד שהם מגיעים לאף שלך. פיזור מתרחש בגזים ובנוזלים, אך לא במוצקים, כי חלקיקי מוצקים אינם יכולים לנוע ממקום למקום.

קצב פיזור ומסת מולקולרית

חלקיקי גז קלים נעים מהר יותר מחלקיקים כבדים בטמפרטורה זהה. לכן, לגז עם מסה מולקולרית יחסית קטנה (מסה קטנה יותר לכל מולקולה) יש קצב תפוצה מהיר יותר.

ניסוי קלאסי מדגים זאת. צמר ספוג ב-אמוניה ($\text{NH}_3$) מונח בקצה אחד של צינור זכוכית ארוך. צמר ספוג ב-כלוריד מימן ($\text{HCl}$) מונח בקצה השני. שני הגזים מתפוצים לאורך הצינור ומתנגשים ליצירת טבעת לבנה של כלוריד אמוניום ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

לעומת אמוניה יש לה $M_r = 17$ ולכלוריד המימן יש $M_r = 36.5$. האמוניה קלה יותר, ולכן היא מתפשטת מהר יותר ועוברת מרחק רב יותר לאורך הצינור. הטבעת הלבנה נוצרת קרוב יותר לקצה כלוריד המימן.

דוגמה עבודה. ברומ ($M_r = 160$) ואמוניה ($M_r = 17$) משוחררים בו-זמנית מקצוות נגדיים של צינור ארוך. איזה מהם עובר מרחק רב יותר לפני שהם מתנגשים? השוו את המסה המולקולרית היחסית. ה-$M_r$ של האמוניה קטן משמעותית, ולכן המולקולות שלה נעות מהר יותר באותה טמפרטורה והיא מתפשטת מהר יותר. לפיכך, האמוניה עוברת מרחק גדול יותר, ושני הגזים נפגשים קרוב יותר לקצה הברומ. הכלל הוא תמיד "קל = מהר" - הסבר מבוסס על $M_r$, לעולם לא על גודל הנוסחה על הנייר.

• במהלך המיסה והרתיחה הטמפרטורה נשארת קבועה (החלקים השטוחים בעקומת החימום), מכיוון שהאנרגיה שוברת את הכוחות בין החלקיקים במקום להאיץ אותם.
• התאדות מתרחשת רק בשטח ובכל טמפרטורה; רתיחה מתרחשת בכל עומק הנוזל בטמפרטורה קבועה אחת.
• הסבר התנהגות גזים באמצעות תורת החלקיקים: חימום גז בנפח קבוע מגביר את הלחץ מכיוון שהחלקיקים פוגעים בקירות בחוזקה ובתדירות גבוהה יותר — החלקיקים עצמם אינם הופכים לגדולים יותר.
• תפוצה היא מהירה יותר לחלקיקים קלים ($M_r$ קטן יותר) ואינה יכולה להתרחש במצוקים. בצינור האמוניה/כלוריד המימן, האמוניה הקלה עוברת מרחק רב יותר, ולכן הטבעת הלבנה נוצרת קרוב יותר לקצה HCl.

נוסחה מראה אילו אטומים יש בחומר וכמה מכל אחד. קיימים שני סוגי נוסחאות שחובה לדעת.

• הנוסחה המולקולרית היא המספר בפועל של כל אטום במולקולה אחת. עבור גלוקוז הנוסחה היא $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$.
• הנוסחה האמפירית היא היחס השלם הפשוט ביותר של אטומים או יונים בתרכובת. עבור גלוקוז הנוסחה היא $\text{CH}_2\text{O}$.

חישוב נוסחה

אם נתונה לך מודל או תרשים, פשוט ספור את האטומים של כל יסוד וכתוב אותם כנוסחה.

עבור תרכובת יונית ניתן לחשב את הנוסחה מתוך המטענים על היונים. המטען החיובי הכולל חייב לאזון את המטען השלילי הכולל, משום שהתרכובת אינה מטענת באופן כללי. יונים נפוצים:

לדוגמה, $\text{Na}^{+}$ ו$\text{O}^{2-}$: נדרשים שני $\text{Na}^{+}$ כדי לאזן אחד $\text{O}^{2-}$, ולכן הנוסחה היא $\text{Na}_2\text{O}$.

משוואה מראה כיצד תגובה (החומרים ההתחלתיים) משתנות למוצרים (החומרים שנוצרו).

• משוואת מילים משתמשת בשמות: מגנזיום + חמצן → תחמוצת מגנזיום.
• משוואת סימולים משתמשת בנוסחות וחייבת להיות מאוזנת – אותו מספר של כל אטום בשני הצדדים.

מוסיפים סמלי מצב בסוגריים כדי להראות את המצב הפיזיקלי: $(s)$ מוצק, $(l)$ נוזל, $(g)$ גז, ו$(aq)$ עבור מימי (מומס במים).

משוואות יוניות

משוואה יונית מראה רק את היונים שמשתנים בפועל. יונים זהים בשני הצדדים הם יוני תצפית ונשארים מחוץ למשוואה. לדוגמה, כאשר חומצה מגיב עם בסיס:

המסה האטומית היחסית ($A_r$) של יסוד היא המסה הממוצעת של אטומיו בהשוואה ל-$\tfrac{1}{12}$ ממסת אטום אחד של $^{12}\text{C}$.

המסה המולקולרית היחסית ($M_r$) היא סכום המסה האטומית היחסית של כל האטומים במולקולה. עבור תרכובות יוניות משתמשים ב-מסה הנוסחנית היחסית, הנמצאת באותו אופן מהנוסחה.

מסות מגיבות ביחס פשוט

לעיתים ניתן למצוא מסת מגיבה ללא שימוש במוles. אם 24 גרם מגנזיום מייצרים 40 גרם חמצן מגנזיום, אזי 12 גרם מגנזיום (חצי כמות) יייצרו 20 גרם חמצן מגנזיום.

המוֹל (סמול mol) הוא היחידה לכמות החומר. מול אחד של כל חומר מכיל $6.02 \times 10^{23}$ חלקיקים (אטומים, יונים או מולקולות). מספר זה נקרא קבוע אווגדרו.

המסה המולרית היא מסת מול אחד, בגרם למול (g/mol). הערך המספרי שלה זהה ל-$A_r$ או ל-$M_r$. הקשר המרכזי הוא:

דוגמה מוצגת. כמה מולים יש ב-36 גרם מים? המסה המולרית של מים $= 18$ g/mol.

כדי למצוא את מספר החלקיקים, יש להכפיל את המולים בקבוע אווגדרו.

נפחי גזים

בטמפרטורת החדר ובלחץ רגיל (r.t.p.), מול אחד של כל גז תופס אותו נפח. נפח המולר הגזי הוא $24 \text{ dm}^3$.

דוגמה מוצגת. איזה נפח תופס $0.25$ מול של פחמן דו-חמצני בטמפרטורת החדר ובלחץ רגיל?

ריכוז של תמיסות

הריכוז של תמיסה יכול להיות נתון ב-$\text{g/dm}^3$ או ב-$\text{mol/dm}^3$.

זכרו להמיר נפח: $1 \text{ dm}^3 = 1000 \text{ cm}^3$, ולכן יש לחלק נפח ב-$\text{cm}^3$ ב-1000.

ברוב החישובים עוקבים באותו שלבים: ממירים את הכמות הידועה למול, משתמשים במשוואה המאוזנת כדי למצוא את מולי המוצר הרצוי, ולאחר מכן ממירים שוב למסה, נפח או ריכוז.

דוגמה פותרת. מהי מסת תחמוצת המגנזיום הנוצרת כאשר 12 גרם מגנזיום נשרפים לחלוטין? $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$. ($A_r$: Mg $= 24$, O $= 16$.)

מולי Mg $= 12 / 24 = 0.5$ מול. היחס Mg : MgO הוא $1 : 1$, ולכן נוצרים $0.5$ מול של MgO. המסה המולרית שלו היא $24 + 16 = 40$ גרם/מול, ולכן המסה היא $0.5 \times 40 = 20$ גרם — אותו תשובה כמו במתוד proportional הפשוטה לעיל.

תגובה מגבילה

כששני תגובנים מעורבים זה בזה, לעיתים אחד נגמר קודם. זהו התגובה המגביל. הוא קובע כמה מוצר יכול להיוצר; כל תגובה אחרת נמצאת בעודף (נשארת).

דוגמה פותרת. 8 גרם מימן מגיבים עם 8 גרם חמצן: $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$. איזהו התגובה המגביל, וכמה מסת מים נוצרת? ($A_r$: H $= 1$, O $= 16$.)

מולי $\text{H}_2 = 8 / 2 = 4$ מול; מולי $\text{O}_2 = 8 / 32 = 0.25$ מול. המשוואה דורשת $2\text{H}_2$ לכל $\text{O}_2$ אחד, ולכן $0.25$ מול של $\text{O}_2$ מגיבים רק עם $0.5$ מול של $\text{H}_2$. יש הרבה יותר מימן מכך, ולכן החמצן הוא התגובה המגביל והמימן נמצא בעודף. החמצן יוצר $2 \times 0.25 = 0.5$ מול של מים, ולכן המסה היא $0.5 \times 18 = 9$ גרם. יש לעבוד תמיד במולים, לא במסות — התגובה עם המסה הקטנה ביותר אינה תמיד זו שנגמרת קודם.

חישוב טיטרציה

בטיטרציה מדדים את נפח של פתרון אחד שמגיב עם פתרון אחר. מתוך הנפח והריכוז מוצאים את מולי ממסס אחד, ולאחר מכן משתמשים ביחס במשוואה כדי למצוא את מולי, הריכוז או הנפח של השני.

דוגמה פותרת. $25.0 \text{ cm}^3$ של פתרון נתרן הידרוקسيد ניטרל לחלוטין על ידי $20.0 \text{ cm}^3$ של $0.10 \text{ mol/dm}^3$ חומצת הידרוכלורית. $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$. מצאו את ריכוז פתרון נתרן ההידרוקسيد.

מולי HCl $= 0.10 \times \dfrac{20.0}{1000} = 0.0020$ מול. היחס הוא $1 : 1$, ולכן ישנם $0.0020$ מול של NaOH ב$25.0 \text{ cm}^3$:

נוסחאות אמפיריות ומולקולריות מתוך נתונים

כדי למצוא נוסחה אמפירית ממסות או מאחוזים:

1. חלקו את מסת כל יסוד (או אחוז) במסה האטומי שלו $A_r$.
2. חלקו את כל התוצאות במספר הקטן ביותר כדי לקבל את היחס הפשוט ביותר.

כדי למצוא את הנוסחה המולקולרית, השוו את מסת הנוסחה האמפירית למסה המולקולרית האמיתית $M_r$ וכפילו בהתאם.

דוגמה מפורטת. תרכובת מכילה $40\%$ סידן, $12\%$ פחמן ו$48\%$ חמצן לפי מסה. מצאו את הנוסחה האמפירית שלה. ($A_r$: Ca $= 40$, C $= 12$, O $= 16$.)

חלקו כל אחוז ב-$A_r$ שלו: Ca $= 40/40 = 1$, C $= 12/12 = 1$, O $= 48/16 = 3$. היחס הוא $1 : 1 : 3$, ולכן הנוסחה האמפירית היא $\text{CaCO}_3$.

אחוזים

• תפוקה באחוזים משווה כמה מוצר קיבלת בפועל למה שהיה האפשרי המקסימלי: $\dfrac{\text{actual}}{\text{theoretical}} \times 100$.
• הרכב אחוזי במסה של יסוד $= \dfrac{\text{mass of the element}}{M_r} \times 100$.
• טוהר באחוזים $= \dfrac{\text{mass of pure substance}}{\text{mass of impure sample}} \times 100$.

דוגמה פותרת. מצא את אחוז המסה של חנקן בחומצה אמונית, $\text{NH}_4\text{NO}_3$. ($A_r$: N $= 14$, H $= 1$, O $= 16$.)

$M_r = (2 \times 14) + (4 \times 1) + (3 \times 16) = 80$. המסה של חנקן היא $2 \times 14 = 28$, ולכן

דוגמה מפורטת. תגובה יכולה לייצר עד 5.0 גרם מוצר, אך בסופו של דבר נאספו רק 4.0 גרם. מצאו את התפוקה בשיעור.

חלק מהמוצר תמיד הולך לאיבוד — נשאר במכשיר או נצרך בתגובות לוואי — ולכן התפוקה כמעט לעולם אינה $100\%$.

דוגמה מפורטת. דגימה בעלת מסה של 50 גרם של קרבונט סידן לא טהור מכילה 45 גרם של קרבונט סידן טהור. מצאו את רמת הטוהר באחוזים.

• תמיד הפכו תחילה מסות, נפחי גז וריכוזים ל-מול, השתמשו ביחס ממשקול, ולאחר מכן הפכו בחזרה. לעולם אל תשווין מסות ישירות דרך המשווקל.
• נוסחים מפתח: $n = \dfrac{\text{mass}}{M_r}$, נפח גז $= n \times 24\ \text{dm}^3$ ב-T.R.T.P., וריכוז $= \dfrac{n}{\text{volume in dm}^3}$. שינוי cm³ ל-dm³ על ידי חלוקה ב-1000.
• כדי לאזן משוואת סימולים ניתן לשנות רק את המספרים הגדולים לפני הנוסחה, לעולם לא את התת-מספרים הקטנים בתוכה.
• הגורם המגביל הוא זה שנמצה (הכי מעט מולות לאחר התחשבות ביחס); הוא קובע כמה מוצר ייוצר. הגורם השני נמצא בעודף.
• תפוקה באחוזים = מעשי ÷ תיאורטי × 100; טוהר באחוזים = מסת חומר טהור ÷ מסת הדוגמה × 100. שניהם תמיד 100% או פחות.

אלקטרוליזה היא פירוק (פירוק כימי) של תרכובת יונית — כאשר היא ממוסחת או בתמיסה מימית — על ידי העברת זרם חשמלי דרכה.

התהליך עובד רק כאשר החומר הוא ממוסח או מומס, משום שאז ה-יונים חופשים לנוע ולשאת את המטען. תרכובת יונית מוצקה לא ניתנת לאלקטרוליזה מכיוון שהיונים שלה נעולים במקום.

התא האלקטרוליטי

המתקן נקרא תא אלקטרוליטי. שתי אלקטרודות (מוליכים מוצקים) צוללות בתוך האלקטרוליט — החומר הממוסח או המימי הנפרק.

• האנוד היא האלקטרודה החיובית ($+$).
• הקתודה היא האלקטרודה השלילית ($-$).

האלקטרודות לעיתים קרובות הן אינרטי (לא מגיבות), כמו פלטינה או פחמן/גרפיט.

מה נוצר בכל אלקטרודה

קיים כלל פשוט:

• מתכות או הידרוגן נוצרים בקתודה.
• לא-מתכות (מעטפת ההידרוגן) נוצרות באנוד.

בתמיסות מימיות, התוצר יכול להשתנות בהתאם לכך שהתמיסה היא מדוללת או מרוכזת. להלן שלושת הדוגמאות הבסיסיות:

דוגמה פותרת. נבוא את תוצרי האלקטרוליזה של כלוריד אבץ מהולך, $\text{ZnCl}_2$. מכיוון שהוא מהולך, נוכחים רק יוני אבץ ויוני כלור – אין מים שיסבכו את העניין. אבץ הוא מתכת, ולכן נוצר ב-קתודה: $\text{Zn}^{2+}$ יונים מקבלים אלקטרונים ומופיע אבץ כסוף. הכלור הוא לא-מתכת, ולכן נוצר ב-אנודה: בועות של גז כלור ירוק-בהיר. תמיד יש לבדוק תחילה את המצב. תרכובת מהולה פשוט נותנת לך את שני היסודות שלה, בעוד שתרכובת מימית מביאה את המים לתחרות – ולכן תמיסת נתרן כלורי מרוכז נותנת מימן בקתודה ולא נתרן.

כיצד הטעון זז

במהלך אלקטרוליזה:

• אלקטרונים זזים דרך החוטים (המעגל החיצוני) ממקור המתח.
• בקתודה, יונים חיוביים מקבלים אלקטרונים. קבלת אלקטרונים היא חילוץ.
• באנודה, יונים שליליים מאבדים אלקטרונים. איבוד אלקטרונים הוא חמצון.
• בתוך האלקטרוליט, היונים זזים: יונים חיוביים הולכים לקתודה ויונים שליליים הולכים לאנודה.

ניתן לכתוב משוואת מחצית עבור כל אלקטרודה. עבור ברומיד עופרת(II) מהולך:

אלקטרוליזה של נחושת(II) סולפט

המוצר באנודה תלוי באלקטרודה:

• עם אלקטרודות פחמן אינERT: נחושת נוצרת בקתודה וחמצן נוצר באנודה. הצבע הכחול של התמיסה דוהה לאט כאשר הנחושת נשלפת.
• עם אלקטרודות נחושת: נחושת נוצרת בקתודה, בעוד שהאנודה עצמה נמסה לתמיסה. הצבע הכחול נשאר זהה. שימוש זה נעשה לטיהור נחושת.

ציפוי אלקטרוליטי

ציפוי אלקטרוליטי פירונו כיסוי חפץ מתכתי בשכבה דקה של מתכת אחרת. הדבר משפר את מראהו והעמידות שלו לקורוזיה (חלודה ושחיקה).

כדי לציפוי אלקטרוליטית חפץ:

• החפץ המצופה משמש כקתודה;
• מתכת הציפוי משמשת כאנודה;
• האלקטרוליט הוא תמיסה המכילה יונים של מתכת הציפוי.

תא דלק משתמש במימן ובחמצן ליצירת חשמל ישירות. המוצר הכימי היחיד הוא מים.

יש ערך להשוות בין תא דלק לבין מנוע בנזין רגיל ברכב.

יתרונות תא הדלק: המוצר היחיד הוא מים, ולכן הוא אינו מזדהם את האוויר, והוא ממיר אנרגיה כימית לחשמל בצורה יעילה. חסרונות: קשה לאחסן ולהוביל מימן בבטחה, וייצור המימן עדיין יכול להשתמש באנרגיה מדלקים מאובנים.

• בקתודה (שלילי) מתקבל מתכת או מימן; באנודה (חיובי) מתקבל אל-מתכת. יונים חיוביים זזים לעבר הקתודה, ויונים שליליים לעבר האנודה.
• תרכובת ממוסה נותנת רק את שני היסודות שלה. תמיסה מימית עשויה לתת מוצרים אחרים (תמיסת נתרן כלוריד מרוכזת נותנת מימן וכלור, ולא נתרן).
• רידוקציה היא קיבלת אלקטרונים (בקתודה); חמצון היא אובדת אלקטרונים (באנודה). תזכרו: OIL RIG.
• במשוואת חצי, האטומים והמטענים חייבים להיות מאוזנים, כאשר האלקטרונים נמצאים בצד הנכון: $\text{Pb}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Pb}$ (קתודה).
• כדי להכסות גוף מתכת, יש להפוך אותו לקתודה, את המתכת המכסה לאנודה, ולהשתמש בתמיסה המכילה יוני המתכת המכסה.

בכל תגובה כימית, מועברת אנרגיה. התגובה היא או אקסותרמית או אנדותרמית, בהתאם לכיוון זרימת האנרגיה.

• תגובה אקסותרמית משחררת אנרגיה תרמית לסביבה. לכן הטמפרטורה של הסביבה עולה.
• תגובה אנדותרמית סופגת אנרגיה תרמית מהסביבה. לכן הטמפרטורה של הסביבה יורדת.

דוגמאות לתגובות אקסותרמיות הן בעירה (שריפת דלק) וניטרול (תגובה של חומצה עם בסיס). דוגמה לתגובה אנדותרמית היא פירוק תרמי של תרכובת (שבירת קשרים באמצעות חום).

כמות האנרגיה החוםית המועברת בתגובה נקראת שינוי אנטלפיה. הוא נכתב כ$\Delta H$ ויש לו סימנים אלו:

• $\Delta H$ הוא שלילי בתגובה אקסותרמית, מכיוון שאנרגיה יוצאת מהחומרים הכימיים.
• $\Delta H$ הוא חיובי בתגובה אנדותרמית, מכיוון שאנרגיה נספגת.

חלקיקים אינם מגיבים בכל פעם שהם נפגשים. אנרגיית ההשעהמה ($E_a$) היא הכמות המינימלית של אנרגיה שחלקיקים המתנגשים חייבים להיות בעליה לפני שהם יכולים להגיב. זה כמו גבעה שחלקיקים צריכים לעבור מעליה לפני שהתגובה תתרחש.

תרשים מסלול תגובה מראה כיצד משתנה האנרגיה במהלך תגובה. האנרגיה מופיעה על הציר האנכי, והקדמת התגובה מופיעה על הציר האופקי.

• הקו מתחיל ברמת האנרגיה של ה-תגובות.
• הוא עולה מעל 'גבעה' — גובה הגבעה הזה הוא אנרגיית ההפעלה $E_a$.
• לאחר מכן הוא יורד או עולה לרמת האנרגיה של ה-מוצרים.
• הפער בין רמת התגובה לרמת המוצר הוא שינוי האנתלפיה $\Delta H$.

בתגובה אקסותרמית, המוצרים נמצאים מתחת לתגובות, ולכן אנרגיה משתחררת ו-$\Delta H$ הוא שלילי.

בתגובה אנדותרמית, המוצרים נמצאים מעל התגובות, ולכן אנרגיה נבלעת ו-$\Delta H$ הוא חיובי.

תגובה כוללת שבירת הקשרים בתגובות ויצירת קשרים חדשים במוצרים.

• שבירת קשרים דורשת אנרגיה, ולכן זוהי שלב אנדותרמי.
• יצירת קשרים משחררת אנרגיה, ולכן זוהי שלב אקסותרמי.

אנרגיית הקשר היא האנרגיה הנדרשת לשבור מול אחד של קשר ספציפי. ניתן להשתמש באנרגיות קשר כדי לחשב את שינוי האנתלפיה:

אם משתחררת יותר אנרגיה ביצירת קשרים מאשר נבלעת בשבירת קשרים, התגובה היא אקסותרמית ($\Delta H$ שלילי). אם משתחררת פחות אנרגיה, התגובה היא אנדותרמית ($\Delta H$ חיובי).

דוגמה מפורטת

עבור התגובה $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$, השתמשו באנרגיות הקשר הבאות (ביחידות kJ/mol): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

קשרים שנשברו: קשר H–H אחד וקשר Cl–Cl אחד $= 436 + 242 = 678$.

קשרים שנוצרו: שני H–Cl $= 2 \times 431 = 862$.

התשובה שלילית, ולכן תגובה זו היא אקסותרמית.

• אקסותרמית משחררת חום, סביבת העבודה מתחממת וה-$\Delta H$ הוא שלילי; אנדותרמית בולעת חום, סביבת העבודה מתקררת וה-$\Delta H$ הוא חיובי.
• שבירת קשרים דורשת כניסת אנרגיה (אנדותרמית); יצירת קשרים משחררת אנרגיה (אקסותרמית). השתמש ב-$\Delta H = (\text{energy to break bonds}) - (\text{energy released making bonds})$.
• אם משוחרר יותר אנרגיה במהלך יצירת קשרים מאשר נוצרך בשבירתם, התגובה היא אקסותרמית. תמיד בדוק את הסימן בתשובה הסופית שלך.
• על תרשים מסלול התגובה, תגובה אקסותרמית מסתיימת מתחת לנקודת ההתחלה; תגובה אנדותרמית מסתיימת מעליה. הגובה של הגבעה הוא אנרגיית הפעלה.

שינוי פיזיקלי אינו יוצר חומר חדש. החומר משנה רק את מצבו או צורתו, והשינוי ניתן להפכה בדרך כלל. ההיתוך של קרח והמסת סוכר הם שינויים פיזיקליים.

שינוי כימי (תגובה כימית) יוצר חומר אחד או יותר חדשים וקשה להפכתו בדרך כלל. סימנים לשינוי כימי כוללים שינוי צבע, פליטת גז, שינוי אנרגטי או היווצרות משקע (חומר מוצק).

הקצב התגובה מעיד על מהירות השינוי של התגובות למוצרים.

תיאוריית ההתנגשויות

תיאוריית ההתנגשויות מסבירה מה קובע את הקצב. כדי שתגובה תתרחש, החלקיקים חייבים להתנגש, והם חייבים להתנגש באנרגיה מספקת. האנרגיה המינימלית שהם זקוקים לה היא אנרגיית הפעלה ($E_a$). קצב מהיר יותר מתקבל כאשר לחלקיקים יש התנגשויות מוצלחות תדירות יותר.

מה משנה את הקצב

מצטנעים

מצטנע מאיץ תגובה אך אינו נבזבז — הוא נשאר ללא שינוי בסוף התגובה. הוא פועל על ידי הפחתת אנרגיית ההפעלה. אנזימים הם מצטנעים ביולוגיים (מצטנעים הפועלים בבעלי חיים).

מדידת הקצב

ניתן לעקוב אחר תגובה לאורך זמן בדרכים הבאות:

• שינוי במסה: להניח את הבקבוק על משקל. אם יוצא גז, המסה יורדת. לרשום את המסה בפעמים קבועות.
• נפח של גז: לאסוף את הגז בצינור הזרקון לגז ולקרוא את הנפח שלו בפעמים קבועות.
• יוצר של משקע: בתגובה הופכת לעכורה, למדוד כמה זמן לוקח עד שהסימן שמתחת לבקבוק ייעלם.

*מצית הגז אוסף את הגז המשתחרר; קראו את נפחו במרווחי זמן קבועים כדי לעקוב אחר הקצב

בגרף של מוצר לאורך זמן, הקו תלול ביותר בהתחלה (קצב מהיר), הופך לפחות תלול ככל שהתגיבים נספגים, והופך שטוח כאשר התגובה מסתיימת.

*הקצב הוא מהיר ביותר בהתחלה (הכי תלול) והקו משתדל כאשר התגובה מסתיימת

חלק מהתגובות הן הפיכות: המוצרים יכולים להגיב כדי ליצור שוב את התגיבים. אנו מסמנים זאת באמצעות הסמל $\rightleftharpoons$.

שינוי הכיוון

דוגמה ברורה משתמשת בתרכובות הידרטיות וללא-מים:

• גופרית(II) סולפט הידרטי בצבע כחול, בעת חימום, מאבד את המים שלו ומפך לסולפט ללא-מים לבן. הוספת מים הופכת אותו חזרה לכחול.
• כלוריד קובלט(II) הידרטי בצור ורוד מאבד מים בעת חימום ומפך לכלוריד ללא-מים כחול. הוספת מים הופכת אותו חזרה לוורוד.

הוספת מים לתרכובת המוצקה ללא-מים (וראיית החזרת הצבע) משמשת כמבחן לזיהוי מים.

איזון

מערכת סגורה (בה אין כניסה או יציאה), תגובה הפיכה מגיעה לאיזון כימי כאשר:

• קצב התגובה ההפוכה שווה לקצב התגובה הקדימה, ו
• ריכוזי התגיבים והמוצרים אינם משתנים עוד.

שינוי מיקום האיזון

מיקום האיזון מספר לכם האם יש יותר תגיבים או יותר מוצרים. ניתן להזיז אותו:

• טמפרטורה: חימום מזיז את האיזון לכיוון שבו מתעלפת חום (הכיוון אנדותרמי); קירור מזיז אותו לכיוון שבו משתחרר חום (הכיוון אקסותרמי).
• לחץ (גזים): לחץ גבוה מזיז את האיזון לצד עם פחות מולקולות גז.
• ריכוז: הוספת חומר נוסף מזיזה את השיווי משקל לצד השני כדי להשתמש בו.
• מצען אינו מזיז את מיקום שיווי המשקל. הוא רק עוזר לתגובה להגיע לשיווי משקל מהר יותר.

תהליך האבר

תהליך האבר מייצר אמोनיה:

• ההידרוגן מגיע ממטאן (גז טבעי); החנקן מגיע מהאוויר.
• תנאים אופייניים: טמפרטורה של $450\,{}^{\circ}\text{C}$, לחץ של כ-$200$ atm ($20\,000$ kPa), ומצען ברזל.

תהליך הקונטקט

תהליך הקונטקט ממיר סולפיד אווירי לסולפוקסיד:

• הסולפיד האווירי מגיע משריפת סולפור (או קליית מינרלים סולפידיים); החמצן מגיע מהאוויר.
• תנאים טיפוסיים: טמפרטורה של $450\,{}^{\circ}\text{C}$, לחץ של כ-$2$ atm ($200$ kPa), ומצען חמצן-וanadium(V).

למה נבחרו תנאים אלו

התנאים הם התאמה:

• לחץ גבוה יותר יניב תוצר רב יותר, אך לחץ גבוה מאוד מסוכן ומהותך, ולכן משתמשים בלחץ בינוני.
• טמפרטורה נמוכה יותר תניב תוצר רב יותר (שתי התגובות ההפוכות הן אנדרותרמיות), אך התגובה תהיה איטית מדי, ולכן משתמשים בטמפרטורה גבוהה יחסית כדי לשמור על קצב טוב.
• המצען מאיץ את התגובה ללא שינוי במיקום שיווי המשקל, מה שמוריד את העלות.

חמצון והורדה מתרחשים תמיד בו-זמנית, במה שנכונה תגובת חמצון-הורדה. ('Redox' הוא קיצור של reduction–oxidation.)

ישנם שלושה דרכים לתאר חמצון והורדה:

• חמצן: חמצון הוא רכישת חמצן; חיזור הוא איבוד חמצן.
• אלקטרונים: חמצון הוא איבוד אלקטרונים; חיזור היא רכישת אלקטרונים.
• מספר חמצון: בחמצון מספר החמצון עולה; בחיזור הוא יורד.

עזר זיכרון שימושי הוא OIL RIG: חמצון הוא איבוד, חיזור היא רכישה — של אלקטרונים.

כללי מספר חמצון

מספר החמצון מצוין באות רומית, כמו ברזל(II) וברזל(III). הכללים הם:

• אלמנט שאינו משולב יש לו מספר חמצון של $0$.
• יון חד-אטומי יש לו מספר חמצון השווה למטענו (לכן $\text{Na}^{+}$ היא $+1$).
• סך מספרי החמצון בתיקון נוסף ל$0$.
• סך מספרי החמצון ביון נוסף למטען היון.

דוגמה פותרת. מצאו את מספר החמצון של המנגן ביון המנגנז(VII), $\text{MnO}_4^{-}$. כל חמצן הוא $-2$, ויש ארבעה מהם, מה שנותן $4 \times (-2) = -8$. סך מספרי החמצון ביון חייב להסתכם למטען היון, שהוא כאן $-1$. לכן אם המנגן הוא $x$, אז $x + (-8) = -1$, מה שנותן $x = +7$ - בדיוק כפי שה-(VII) בשם אומר. הציבו את הסך למטען היון, לא לאפס: אפס הוא רק לתיקון ניטרלי.

גורמים מחמצנים ומחזרים

• גורם מחמץ מחמצ חומר אחר, ועצמו מוחזר.
• גורם מחזר מחזר חומר אחר, ועצמו מחומץ.

חלק ממרידי רדוקס מראים שינויים צבע ברורים:

• מנגנז(aq) (Vii) מחומצה הוא סגול. כאשר הוא פועל כגורם מחמץ הוא מוחזר, והצבע הסגול דוהה לצבע שקוף.
• אוזן (aq) שקוף. כאשר הוא מחומץ נוצר יד (aq). צבע אדום-חום.

• הסבר קצב מהיר יותר באמצעות תיאוריית ההתנגשויות: התנגשויות מוצלחות מתרחשות תדירות יותר. ריכוז, לחץ ושטח פני כלם מגדילים את תדירות ההתנגשויות בין חלקיקים; טמפרטורה גבוהה עושה זאת וגם מעניקה ליותר חלקיקים מספיק אנרגיה.
• קטליסט מפחית את אנרגיית ההפעלה ומאיץ את התגובה, אך אינו נצרך ואינו משנה $\Delta H$ או את מיקום האיזון.
• ב-איזון, קצבי התגובה ההפוכה והרווחית שווים והריכוזים הופכים ליציבים — זה לא אומר שמכמויות החומרים המגיבים והמוצרים שוות.
• השתמש בעקרון לה-שטלייה: העלאת טמפרטורה תומכת בכיוון האנדרותרמי; העלאת לחץ תומכת בצד עם פחות מולקולות גז; הוספת חומר מזיזת את האיזון הרחק ממנו.
• חמצון-העברה — OIL RIG: חמצון הוא אובדן, העברה היא השגחה של אלקטרונים. הם תמיד קוראים יחד, וחומר מחמצן עצמו מופחת.

חומצה היא חומר היוצר יוני מימן ($\text{H}^{+}$) כאשר נמס במים. לחומצות ישנן שלוש תגובות אופייניות:

• עם מתכות: חומצה + מתכת → מלח + מימן
• עם בסיסים: חומצה + בסיס → מלח + מים (זהו נטרול)
• עם קרבונטים: חומצה + קרבונט → מלח + מים + פחמן די-אוקסיד

תיאור מה שרואים

הזכרת שמות המוצרים היא רק חצי מהשמירה על ידי המבחן. "ציין את ההצפות" שואל מה תראו בעיניך, ולכן יש לו נקודות משלו - אז למד את המילים:

לכן עבור מגנזיום שהוסף לחומצת הידרוכלורית, תשובה מלאה היא: עדיפת גז, והקשיי נמס (ובקבוק מתחמם). עבור תחמוצת נחושת (II) שהוספה לחומצת גופריתית חמה: הקשיי השחור נמס והפתרון הופך לכחול.

שתי כללים יצילו את רוב הנקודות האבדות. לעולם אל תכתוב "התפרק מימן" כצפייה – אי אפשר לראות מימן, ניתן לראות רק בועות, לכן כתוב אידוי. ואל תכתוב שם שלא ניתן לראות: "נוצר מלח" הוא מסקנה, לא צפייה.

חומרי גוף

חומר גוף הוא צבע המשתנה בצבעו כדי להראות האם התמיסה חומצית או בסיסית.

תמיסות מימיות של חומצות מכילות יוני מימן ($\text{H}^{+}$). תמיסות מימיות של בסיסים מכילות יוני הידרוקסיד ($\text{OH}^{-}$).

בסיסים הם תחמוצות או הידרוקסידים של מתכות. בז הוא בסיס הנמס במים (בסיס מומס).

לבסיסים ישנן שתי תגובות אופייניות:

• עם חומצות: בסיס + חומצה → מלח + מים (ניטרול שוב)
• עם מלחי אמוניה: תגובה זו משחררת גז אמוניה.

חומצה היא נותן פרוטון — היא משחררת יוני $\text{H}^{+}$ (יון מימן הוא למעשה פרוטון). בסיס הוא מקבל פרוטונים.

כוחה של חומצה תלוי בכמה ממנה מתפרק ליונים במים:

• חומצה חזקה מתפרקת לחלוטין (מתפצלת במלואה ליונים) במים. חומצת הידרוכלורית היא חזקה:

• חומצה חלשה מתפרקת רק חלקית. חומצה אתנואית היא חלשה, ולכן המשוואה משתמשת בחץ הפיך-חפיף:

הערה: 'חזקה' ו-'חלשה' מתייחסים לתפרוק, ולא לדילול או ריכוז.

סולם ה-pH נע בין 0 ל-14 ומספר לכם כמה תמיסה חומצית או בסיסית היא. ריכוז גבוה יותר של יוני מימן פירונו pH נמוך יותר.

ניתן למצוא את ה-pH באמצעות אינדיקטור אוניברסלי, שמכסה צבעים שונים:

כשחומצה ובסיס מגיבים, יוני ה$\text{H}^{+}$ וה$\text{OH}^{-}$ מתחברים ליצירת מים:

חמצנים יכולים להיות מסודרים לפי התנהגותם:

• חמצנים חומציים הם חמצנים של אל-מתכות, כמו $\text{SO}_2$ ו$\text{CO}_2$.
• תחמוצות בסיסיות הן תחמוצות של מתכות, כמו $\text{CuO}$ ו$\text{CaO}$.
• תחמוצות אמפותריות מגיבות עם חומצות ובסיסים ליצירת מלח ומים. $\text{Al}_2\text{O}_3$ ו$\text{ZnO}$ הם אמפותריים.

לכן, תחמוצות מתכות נוטות להיות בסיסיות ותחמוצות אי-מתכות נוטות להיות חומציות.

האם ניתן להכין מלח באמצעות שיטה מסוימת תלוי בכך האם הוא מומס (נמס) או בלתי מומס (לא נמס).

כללי מומסיות

הכנת מלח מומס

מגיבים עם חומצה אחת מהבאות:

• בסיס, באמצעות טיטרציה (שכן שניהם הם תמיסות, יש למדוד את הנפחים המדויקים);
• עודף של מתכת, בסיס בלתי מומס או קרבונט בלתי מומס.

כאשר משתמשים בעודף של חומר מוצק, לאחר מכן מסננים כדי להסיר את המוצק היתר. לבסוף מדייפים מעט מים ומשאירים לתמיסה להתגבש כדי לקבל את המלח.

דוגמא פותרת. איזו שיטה היית משתמש בהכנת (א) נחושת(II) סולפט ו-(ב) בריום סולפט? בדוק תחילה את כללי המסיסות. (א) נחושת(II) סולפט הוא מסיס (רק בריום, סידן ועופרת סולפטים אינם מסיסים), לכן הכן אותו מחומר מוצע לא מסיס וחומצה: הוסף עודף חמצן נחושת(II) לחומצה גופריתית דלולה ומחוממת, סנן את המוצר הנשאר, ולאחר מכן אדה חלק מהמים והתגבש. (ב) בריום סולפט הוא לא מסיס, לכן הכן אותו באמצעות הצטברות: ערבב שני פתרונות שכל אחד מהם מכיל יון אחד מהיונים הנדרשים, ולאחר מכן סנן, שטף וייבש את המוצר. המסיסות של המלח הרצוי היא קובעת את השיטה - עיין בכללים לפני הבחירה.

הכנת מלח לא מסיס

מלח לא מסיס מוכן באמצעות הצטברות: ערבב שני פתרונות שכל אחד מהם מכיל יון אחד מהיונים הנדרשים, והמלח הלא מסיס מתגבש כמוצר מוצק. לאחר מכן מסננים, שוטפים ומייבשים אותו.

מים במלחים

• חומר הידראטי קשור כימית למים.
• חומר אנדרוזי אינו מכיל מים.

מולקולות המים בתוך גבישים הידרטיים נקראות מים של התגבשות. לדוגמה, $\text{CuSO}_4 \bullet 5\text{H}_2\text{O}$ מכיל חמש מולקולות מים לכל יחידת נוסחה.

• למד את שלושה סוגי תגובות החומצה: חומצה + מתכת → מלח + מימן; חומצה + בסיס → מלח + מים (ניטרול); חומצה + פחמון → מלח + מים + פחמן דו-חמצני.
• חזק וחלש מתארים את מידת פיצול החומצה ליונים (דיסוציאציה), ולא את ריכוזה. חומצה חזקה מנותקת לחלוטין; חומצה חלשה מנותקת רק חלקית.
• ערך pH נמוך יותר מעיד על ריכוז גבוה יותר של יוני מימן. pH 7 הוא ניטרלי, מתחת ל-7 הוא חומצי, מעל ל-7 הוא בסיסי.
• בחר את שיטת הכנת המלח לפי המסיסות: מלח מסיס מוכן מחומצה ועודף חומר מוצע (לאחר מכן לסנן, לאדות ולהתגבש), או באמצעות טיטרציה עם אלקלי; מלח לא מסיס מוכן באמצעות הצטברות (ערבוב שני פתרונות, ולאחר מכן סינון).
• למד את כללי המסיסות — כל המלחים של נתרן, אשלגן, אמोनיום וניטראטים הם מסיסים.

הטבלה המחזורית מסדרת את כל האלמנטים בסדר ערכי מספר אטומי (מספר הפרוטונים) עולים. השורות האופקיים נקראים מחזורים והעמודות האנכיות נקראות קבוצות.

מספר דפוסים מרכזיים:

• לאורך מחזור, האלמנטים משנים ממתכות בצד שמאל ללא-מתכות בצד ימין.
• מספר הקבוצה מספק את המטען של היונים שהאלמנטים יוצרים. קבוצה I יוצרת יונים $+1$, קבוצה II יוצרת יונים $+2$, וקבוצה VII יוצרת יונים $-1$.
• אלמנטים באותה קבוצה בעלי תכונות כימיות דומות. הדבר נובע מכך שיש להם אותו מספר של אלקטרונים בשכבה החיצונית (אותו תצורה אלקטרונית חיצונית).

בגלל דפוסים אלו, ניתן להשתמש במיקום האלמנט כדי לחזות את תכונותיו.

אלמנטים בקבוצה I הם המתכות האלקליניות: ליثium, סודיום ואשלגן. הן מתכות רך (ניתן לחתוך אותן בסכין).

*אשלגן מגיב בחומרה עם מים, משחרר מימן שנשרף בלהבה סגולה — התגוררות עולה לאורך קבוצה I

בעבור ירידה בקבוצה, ישנם דפוסים ברורים:

ניתן להשתמש בדפוסים אלו כדי לחזות תכונות של אלמנטים אחרים בקבוצה I. לדוגמה, רובידיום (מתחת לאשלגן) יהיה יותר תגורר ויהיה לו נקודת היתוך נמוכה יותר.

תגובה עם מים, ומה רואים

זהו הסוג של תגובה שהבחינה שואלת עליה הכי הרבה. כל מתכת בקבוצה I מגיבה עם מים ליצירת אלקלי (הידרוקסיד המתכת) ומימן — מה שבהחלט גורם להם לקרוא מתכות אלקליניות:

"תאר מה שרואים" ממוקם בערך נקודות משלו, ולכן יש ללמוד את הרשימה עבור נתרן במים:

• הוא צף - המתכת צפופה פחות ממים.
• הוא נומס לכדור - התגובה משחררת חום, ונקודת ההיתוך של המתכת נמוכה.
• הוא זז על הפני השטח - זרם מימן הנפלט דוחף אותו.
• יש בועיות (זיזוז) - יציאת גז המימן.
• הוא מתכווץ ונעלם כשהוא נשחק.
• הפתרון הופך בסיסי, ולכן אינדיקטור אוניברסלי הופך לסגול (כעת $\text{NaOH}$).

המגמה באה לידי ביטוי בדרגת הכושר: ליثיום מזיזז בצורה יציבה אך אינו נומס; נתרן נומס לכדור וזורז סביב; אשלגן מהיר מספיק כדי להדליק את המימן שלו, ונשר בלהבה סגולה-לבנה. שתי תשובות למנוע: "מימן משתחרר" אינה תצפית (לא ניתן לראות אותו - יש לומר בועיות), והמתכת נומסת כי ה-תגובה היא אקסותרמית, ולא כי "מים חמים".

יסודות בקבוצה VII הם הלוגנים: כלור, ברום ויוד. הם אל-מתכות דיאטומיות (כל מולקולה מורכבת משני אטומים, כמו $\text{Cl}_2$).

המראה שלהם בטמפרטורת החדר ובלחץ רגיל:

בעבר לקבוצה, הצפיפות עולה אך הכושר יורד (המגמה ההפוכה לקבוצה I).

תגובות החלפה

הלוגן הכושח יותר דוחף החוצה (מחליף) יון הלוריד פחות כושח מתמיסתו. זוהי תגובת החלפה.

למשל, כלור תגובתי יותר מברום, ולכן כלור דוחה ברום מפוטסיום ברומיד:

דוגמה פותרת. מוסיפים כלור מימי לפתרון יודיד אשלגני, ולאחר מכן מוסיפים יודין מימי לפתרון ברומיד אשלגני. מה קורה בכל אחד? התגבותיות יורדת מטה בקבוצה VII: כלור, לאחר מכן ברום, ואז יודין. (א) כלור נמצא מעל יודין, ולכן הוא תגובתי יותר ודוחה אותו: $\text{Cl}_2 + 2\text{KI} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{I}_2$, והפתרון הופך לאדום-חום כאשר משתחרר יודין. (ב) יודין נמצא מתחת לברום, ולכן הוא פחות תגובתי ואינו יכול לדחוף אותו - אין תגובה ואין שינוי צבע. "אין תגובה" היא תשובה מלאה ששווה נקודות: בדוק את הסדר בקבוצה לפני שתכתוב משוואה.

האלמנטים המעבר הם סדרת המתכות באמצע הטבלה המחזורית. בהשוואה למתכות קבוצה I, הן:

• בעלות צפיפות גבוהה;
• בעלות נקודות התכה גבוהות;
• יוצרות תרכובות צבעוניות;
• לעיתים קרובות פועלות כקטליזטורים, גם כאלמנטים וגם בתרכובות.

להן גם מספרי חמצון משתנים. לדוגמה, ברזל יוצר גם תרכובות ברזל(II) וגם תרכובות ברזל(III).

*מתכות מעבר יוצרות תרכובות צבעוניות: לכל אחת מפתרונות אלו יש יון מתכת מעבר שונה

הגזים האצילים של קבוצה VIII הם לא תגובתיים, מונו-אטומיים (הם קיימים כאטומים בודדים, לא כמולקולות).

הם לא תגובתיים כי כבר יש להם מעטפת חיצונית מלאה של אלקטרונים. הדבר הופך אותם ליציבים, ולכן אינם זקוקים לרכוש, לאבד או לשיתף אלקטרונים.

*מעבר חשמל דרך כל גז אציל גורם לו להילוך בצבע מאפיין – כך עובדים סימני ניאון ותאורות אחרות

• הטבלה המחזורית מסודרת לפי מספר הפרוטונים. אלמנטים באותה קבוצה (עמודה) יש להם אותו מספר של אלקטרונים חיצוניים, ולכן הם מגיבים בצורה דומה; מחזורים הם השורות.
• קבוצה I (מתכות האלקלי) הופכות יותר תגובתיות כשיוצאים מטה; קבוצה VII (הלוגנים) הופכות פחות תגובתיות כשיוצאים מטה – מגמות הפוכות.
• הלוגן תגובתי יותר דוחה פחות תגובתי מפתרון מלחו – לדוגמה כלור דוחה ברום.
• גזים יקרים אינם מגיבים מכיוון שיש להם מעטפת חיצונית מלאה. יסודות מעבר הם קשים וצפופים, יוצרים תרכובות צבעוניות, פועלים כקטליזטורים ולחלק מהם יש מספרים אוקסידטיביים משתנים.

תכונות פיזיקליות

מתכות ואל-מתכות מתנהגות בצורה שונה מאוד:

מאפיינים כימיים

מתכות מגיבות בשלושה דרכים עיקריות:

• עם חומצות מעוררות → מלח + מימן
• עם מים קרים או קיטור → הידרוקסיד מתכת (או חמצן) + מימן
• עם חמצן → חמצן מתכת

מתכת נבחרת למשימה בהתבסס על המאפיינים הפיזיקליים שלה.

• אלומיניום משמש לייצור מטוסים בשל צפיפות נמוכה (הוא קל משקל).
• אלומיניום משמש לקבלים חשמליים תלויים בשל צפיפות נמוכה ומוליכות חשמלית טובה.
• אלומיניום משמש לקופסאות מזון משום שהוא עמיד בפני קורוזיה.
• נחושת משמשת לחיבורים חשמליים בשל המוליכותיות החשמלית הטובה שלה וגמישותה (ניתן למתוח אותה לרצועות).

סגסוגת היא ערבוב של מתכת עם אלמנט אחד או יותר.

• פליז הוא תערובת של נחושת ואבץ. *- פלדת אל-חלד היא תערובת של ברזל עם אלמנטים אחרים כמו כרום, ניקל ופחמן.
• פלדת אל-חלד היא תערובת של ברזל עם יסודות אחרים כמו כרום, ניקל ופחמן.

מדוע סגסוגות קשות יותר. במתכה טהורה, האטומים כולם באותו גודל, ולכן השכבות יכולות להחליק זו על זו בקלות. בסגסוגת, האטומים בגדלים שונים מונעים את ההחלקה של השכבות, ולכן הסגסוגת קשה וחזקה יותר.

מדוע סגסוגות קשות יותר. מתכת טהורה מכילה אטומים בגודל זהה, ולכן השכבות מחליקות זו על זו בקלות. בסגסוגת, האטומים בגדלים שונים מונעים את החלקת השכבות, ולכן הסגסוגת קשה וחזקה יותר.

אשלגן, נתרן, סידן, מגנזיום, אלומיניום, פחמן, אבץ, ברזל, הידרוגן, נחושת, כסף, זהב

(הכי תגובתי בחלק העליון, הכי פחות תגובתי בחלק התחתון)

(הכי מגיבה למעלה, הפחות מגיבה למטה)

ככל שמתכה נמצאת גבוה יותר, כך קל יותר ליצירת יונים חיוביים. הדבר מסביר את תגובותיה:

ככל שהמתכת נמצאת גבוה יותר בסדרה, כך קל יותר להיאבד אלקטרונים וליוצר יונים חיוביים. הסבר זה מתאים לתגובותיהן:

• מגנזיום מגיב עם אדים (אבל רק לאט מאוד עם מים קרים).
• מגנזיום מגיב עם קיטור (אבל רק לאט מאוד עם מים קרים).
• מגנזיום, אבץ וברזל מגיבים עם חומצת הידרוכלורית דלולה; נחושת, כסף וזהב אינם מגיבים.

תגובות החלפה

מתכת רגישה יותר תחליף מתכת פחות רגישה מתמיסת יוניה (תגורת החלפה). לדוגמה, אבץ מחליף נחושת מתמיסת נחושת(II) סולפט, מכיוון שאבץ רגיש יותר מנחושת:

התכונן לומר מה תראו, שכן אלו נקודות בדידיות נפרדות:

• הצבע הכחול של התמיסה נובה - יוני הכחול $\text{Cu}^{2+}$ נצרכים (סולפת האבץ צבעונית).
• מוצק ורוד-חום מצטופף על פני האבץ - זו הנחושת שהוחלפה.
• האבץ האפור ממס והוא הופך לקטן.
• התערובת מתחממת - החלפה היא תגורה אקסותרמית.

תגורות מתכת וחומצה יש להן רשימה משלה: עפיפוף (היציאת מימן) והמוצק נמס. עם חמצן נחושת(II) או קרבונט וחומצה, הוספו שהתמיסה מתכהבת לכחול. לעולם אל תכתבו "שחרור מימן" כצפייה – לא ניתן לראות את הגז, רק בועות, לכן כתבו עפיפוף.

דוגמה פתורה. אבץ ואלומיניום נמצאים שניהם בצורת חמצנים. איזה מהם ניתן לחלץ בחימום עם פחמן, ולמה? מצאו את מקום כל מתכת ביחס לפחמן בסדרת הרגישות. אבץ נמצא מתחת לפחמן, ולכן הפחמן הוא הרגיש ביותר מבין השניים ויכול לשלוף את החמצן ממנו: חמצן האבץ מופחת בחימום עם פחמן. אלומיניום נמצא מעל הפחמן, ולכן הפחמן אינו רגיש מספיק כדי להחליפו, והאלומיניום חייב להיות מחולץ באמצעות אלקטרוליזה במקום זאת – ומכאן שמחיר החלצת האלומיניום גבוה בהרבה. הקו בסדרה שקובע את השיטה הוא של הפחמן, לא של ראש הרשימה.

המקרה המיוחד של אלומיניום

אלומיניום נראה פחות רגיש מהשורה שלו מעידה. הדבר נובע מכך שהוא מכוסה בשכבת חמצן דקה וחזקה שחוסמת חומרים אחרים מלהגיע למתכת התחתונה.

חלודה היא קורוזיה של ברזל ופלדה. דברים שתיים נדרשים לחלודה: חמצן (מהאוויר) ומים. החלודה שנוצרת היא חמצן ברזל(III הידרטי.

מניעת חלודה

שיטות חסימה מונעות מגע של חמצן ומים עם ברזל:

• צביעה, שומנוניות (ציפוי בשמן) וציפוי בפלסטיק.

גליבניזציה פירוני ציפוי הברזל בשכבת אבץ. תהליך זה עובד בשתי דרכים:

• הוא משמש כחוסם (האבץ מונע כניסת אוויר ומים);
• הוא מספק הגנה קורבנית. מכיוון שהאבץ ריאקטיבי יותר מהברזל, האבץ מאבד אלקטרונים ונשחק במקום הברזל — גם אם השכבה שרוטה.

כיצד מתכת חולצת מממִצרה תלויה במיקומה בסדרת הפעילות המתכתית. מתכות הממוקמות מתחת לפחמן ניתן לחלצן על ידי חימום עם פחמן (שהופך את החמצן). מתכות מעל לפחמן ריאקטיביות מדי לתהליך זה ועל כן יש לחלצן אותן באמצעות אלקטרוליזה.

ברזל מכוכך הפליטה

הברזל נחלץ מממִצרו המטיט (תחמוצת ברזל(III)) בכוכך פליטה:

• פחמן (קוק) נשרף באוויר חם ליצירת פחמן דו-חמצני וכמות רבה של חום.
• פחמן הדו-חמצני הזה מגיב עם עוד פחמן כדי ליצור פחמן חד-חמצני.
• הפחמן החד-חמצני מחליש את תחמוצת הברזל(III) לברזל (תהליך זה נקרא חיזור).
• אבן גיר (סידן פחמתי) מתפרק בחום ליצירת סידן חמצני.
• הסידן החמצני מגיב עם זיהומים חוליים ליצירת שלק, שנשלף.

אלומיניום באמצעות אלקטרוליזה

האלומיניום נחלץ מממִצרו בוקסיט (מטוהר לתחמוצת אלומיניום) באמצעות אלקטרוליזה:

• תחמוצת האלומיניום מומסת במזגם קריוליט ממיס כדי להוריד את נקודת ההתכה ולחסוך באנרגיה.
• בקתודה, יוני אלומיניום מקבלים אלקטרונים ויוצרים מתכת אלומיניום.
• באנודה נוצר חמצן. חמצן זה מגיב עם האנודות הפחמניות החמות ושרף אותן, ולכן יש להחליף אותן באופן שגרתי.

• ללמוד את סדר הריאקטיביות (אשלגן → זהב). מתכת בעלת ריאקטיביות גבוהה יותר דוחפת מתכת פחות ריאקטיבית מהפתרון שלה.
• מתכות מעל הפחמן מופקות באמצעות אלקטרוליזה; מתכות מתחת לפחמן (כמו ברזל) ניתן להפיק בחימום עם פחמן.
• חלודה דורשת גם מים וגם חמצן. שיטות מחסום (צבע, שמן) מונעות כניסתם; גליובניזציה מספקת גם הגנה קורבנית, מכיוון שהאבץ, היותר ריאקטיבי, מחליד במקום הברזל.
• סגסוגות הן קשות יותר מממתכות טהורות משום שאטומים בגדלים שונים מונעים את החלקת השכבות המיוניות זו על זו.

בדיקה לנוכחות מים

שתי בדיקות כימיות מעידות על כך שמים נוכחים:

• כלוריד קובלט(II) אנדרטוס מתבצע מכחול לוורוד כאשר מוסיפים מים.
• סולפט נחושת(II) אנדרטוס מתבצע מכחלב לכחול כאשר מוסיפים מים.

בדיקות אלו מראות רק שמים נוכחים. כדי להראות שמים הם טהורים, בודקים את נקודת ההיתוך והרתיחה: מים טהורים נמסים בדיוק ב$0\,{}^{\circ}\text{C}$ ומרתחים בדיוק ב$100\,{}^{\circ}\text{C}$. כל חומר מומס משנה ערכים אלו.

זוהי הסיבה שמים מעוכים משמשים בכימיה במקום מים מהברז — הם מכילים הרבה פחות זיהומים כימיים.

מה יש במים טבעיים

מים מאגמים, ימים וימי ים אינם טהורים. הם עשויים להכיל חמצן מומס, תרכובות מתכת, פלסטיק, ביוב, מיקרואורגניזמים מזיקים, וניטרטים ופוספטים (הגיעו מדשנים וחומרי ניקוי).

חלקם מועילים:

• חמצן מומס מאפשר לחיי מים (דגים וצמחים) לנשום;
• חלק מתרכובות המתכת מספקות מינרלים חיוניים.

אחרים הם מזיקים:

• חלק מהתרכובות המתכתיות רעילות (מחומרות);
• חלק מהפלסטיקים פוגעים בחיי המיץ;
• מים מעורבים מכילים חיידקים הגורמים למחלות;
• נitrates ופוספטים גורמים ל-דאוקסיגנציה (איבוד חמצן) במים, דבר הפוגע בחיי המיץ.

טיפול במי שתייה

כדי להפוך את המים לבטוחים לשתייה, אספקת המים עוברת תהליכי טיפול בשלבים:

• השקעה וסינון מסירים חלקיקים מוצרים;
• מעבר דרך פחם מסיר טעמים וריחות רעים;
• כלורציה (הוספת כלור) מחסלת חיידקים מזיקים.